中压变压器保护用熔断器小电流熔断特性的试验研究*

郑嘉禧, 王国庆, 林博勇, 刘 春, 刘 浔, 臧春艳

(1.南方电网 广州供电局有限公司, 广东 广州 510620;2.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室, 湖北 武汉 430074)

0 引 言

中压变压器保护用熔断器广泛应用在配电系统中。当线路发生过载或短路故障时,中压熔断器可自行熔断切断电路,避免设备损坏和事故蔓延[1]。

熔断器在规定时间内承载而不发生熔化的电流称为约定不熔化电流。在约定不熔化电流以下,熔体不允许发生熔化现象。在规定时间内,能够使熔体熔化的电流称为约定熔化电流[1]。当电流大于约定熔化电流时,只要时间足够长,熔断器就会发生熔断。在约定不熔化电流与约定熔化电流之间,熔断器可以熔断,也可不熔断,熔断与否常受到随机因素的影响。

近些年,在电力运行中,经常发生一些配电变压器、电压互感器(Power Transformer,PT)或电容式电压互感器(Capacitor Voltage Transformer,CVT)保护用中压熔断器熔断事故[2-14]。然而,有时电力系统却并未记录到大的工频过流或短路故障,称这样的熔断事故为轻熔断事故。目前,关于中压变压器保护用熔断器轻熔断事故原因的分析较少,更多是关于PT或CVT保护熔断器事故的分析。文献[2]对湖南省1989～1991年3年间PT一次侧保护用熔断器熔断原因进行了分析,主要归结为外部原因所引起,如雷击、高压侧发生短路等。文献[3-4]对35 kV CVT高压侧熔断器熔断的原因进行研究,认为系统在发生单相接地故障过程中,由于CVT铁芯深度饱和而激发了铁磁谐振,导致PT保护用熔断器的熔断。文献[5-6]结合现场运行状况,利用ATP-EMTP仿真,得出超低频振荡是导致PT一次侧熔断器频繁烧毁的原因。进一步核实发现,消弧装置未投入运行是超低频振荡未得到抑制的主要原因。文献[7-9]对配电网PT高压熔断器异常熔断原因和抑制措施做了深入研究。文献[10]对10 kV跌落式熔断器熔体开展温升试验。文献[11]利用Ansys仿真,分析了限流熔断器的弧前过程,为理论研究和工程应用提供依据。文献[12]从发电机侧PT熔断器“慢熔”现象入手,分析“慢熔”现象产生的原因,并给出3种解决方法。文献[13]提出一种低压熔断器过载测试方法,用于研究低压熔断器长期频繁过载运行后对熔断器动作特性方面的影响。文献[14]以一种常用的低压户外1 000 A熔断器为例,利用Ansys软件,研究温升、弧前时间随熔断器材料参数、环境温度、散热特性等多种因素变化的规律,为中压熔断器轻熔断事故分析提供研究思路。

目前,专门针对中压变压器保护用熔断器轻熔断事故分析的文章比较少。这些事故,严重影响供电质量,导致大量人力和物力的浪费。本文对国内外10家企业生产的中压变压器保护用熔断器产品开展了小电流下熔断特性试验研究,试图找到发生轻熔断事故的原因。

1 试验样品

中压变压器保护用熔断器外观如图1所示。点1、点2、点3是温升测试点。

图1 中压变压器保护用熔断器外观

本次试验共采用了国内外10个主要熔断器厂家的中压变压器保护用熔断器样品,每个样品各采购相同批次的9只崭新试品。中压变压器保护用熔断器送检样品如表1所示。

表1 中压变压器保护用熔断器送检样品

2 试验内容

小电流(指0～2In范围,In为额定电流)下,中压变压器保护用熔断器的主要特征参数为熔体材质、熔体电阻、约定不熔化电流、约定熔化电流。在这些特征参数中,与轻熔断事故关系最密切的是约定不熔化电流。

熔断器熔体电阻大小与熔体材质、熔体根数、熔体长度、狭颈位置、狭颈大小、狭颈个数、熔体温度有关。熔断器熔体材质、熔体结构、石英砂质量、加工工艺决定约定不熔化电流的大小。mA级电流下测得的熔体电阻不能真实反映熔断器工作时的状态。按照国标规定,需要测量0.1In电流下的熔体电阻,该电阻可以大致反映熔体的功耗特性。

试验项目设置如下[15-16]:

(1) 0.1In电流下熔体电阻测试;

(2) 1.0In电流下稳定温升试验;

(3) 1.25In电流下稳定温升试验;

(4) 熔断器熔断特性试验;

(5) 中压熔断器熔体材质检测;

(6) 中压熔断器内部结构检测。

3 试验电路

中压熔断器低压恒流温升试验电路如图2所示。

图2 中压熔断器低压恒流温升试验电路

接通电源,利用低压大电流互感器将电流升高至试验电流大小,但输出侧电压极低。当输出电流发生偏离时,驱动步进电机细调一次侧电压,以获得稳定电流输出。中压熔断器熔体熔断时,与撞针相连的高阻熔丝接入电路中。但由于输出侧电压极低,无法输出设定大小的电流,实际电流将变得非常小,无法熔断与撞针相连的高阻熔丝。因此,中压熔断器熔体熔断后,撞针无法弹出。若撞针在熔体熔断前弹出了,则中压熔断器属于不正常状态。

4 试验结果

本次试验全部委托广东产品质量监督检验研究院进行。

4.1 0.1In下熔体电阻测量

为避免熔断器电阻测量结果的随机性,每个样品均采用4只相同试品进行测量。中压熔断器熔体电阻测量结果如表2所示。

表2 中压熔断器熔体电阻测量结果

10个中压熔断器样品的熔体电阻平均值在7.3～16.0 mΩ,相差较大,高达1倍以上

大部分同一厂家4个试品的熔体电阻大小相差不大。其中,#8样品的4个送检试品的电阻差值偏大,达到3.1 mΩ,偏差达到30%。

4.2 1.0In下熔断器稳定温升试验

为了避免1.0In电流下熔断器稳定温升测量的随机性,一个样品采用两只相同试品一起测量。温升测量点为3个,分别选在熔管两端和中间位置(如图1)。中压变压器保护用熔断器在1.0In电流下的稳定温升如表3所示。

表3 中压变压器保护用熔断器在1.0In电流下的稳定温升

在1.0In电流下,#9样品在通流55 min 39 s、1 h 1min时发生了熔断。其他9个样品在2 h内未发生熔断。在未发生熔断的样品中,稳定温升在81.0～151.7 K,相差较大。温升最高者为#2样品,最低为#5样品。

#9样品在1.0In电流下就发生了熔断,可判定其质量为不合格。

4.3 1.25In电流下稳定温升试验

为了避免1.25In电流下熔断器稳定温升测量的随机性,一个样品采用两只相同试品一起测量。温升测量点为3个,分别选在熔管两端和中间位置(如图1)。中压变压器保护用熔断器在1.25In电流下稳定温升如表4所示。

表4 中压变压器保护用熔断器在1.25In电流下的稳定温升

测试结果表明,#3样品、#4样品各1个试品发生了熔断。#9样品的2个试品全部发生了熔断。试验熔断比例达到30%。按照南网约定不熔化电流的大小规定,这3个样品不满足要求。若使用了该类产品,在约定不熔化电流下,在密闭的开关柜中,一定会发生轻熔断事故。

在未发生熔断样品中,都是中间测试点温升偏高,#2样品温升最高,达到232.9 K。稳定温升最低的为8#样品,仅为120.1 K。

4.4 熔断器熔断特性

在1.0In、1.25In、1.4In、1.6In、2.0In电流下,对不同制造单位样品的熔断特性进行了测量。中压变压器保护用熔断器熔断特性如表5所示。

表5 中压变压器保护用熔断器熔断特性

在1.25In、1.4In、1.6In、2.0In电流下,10个送检样品的熔断特性相差较大。

在1.6In下,#6样品发生了撞针弹出异常;在2.0In下,#5样品、#6样品发生了撞针弹出异常。发生撞针弹出异常共3处。

4.5 中压熔断器熔体材质检测

试验结束后,对送检样品熔体材质进行了解体检测。

中压变压器保护用熔断器送检样品熔体材质如表6所示。由表6可见,各家所用材质有所区别。

表6 中压变压器保护用熔断器送检样品熔体材质

4.6 内部结构检测

试验结束后,对所有送检样品内部构造进行了观察。送检样品熔体材质和形状如图3所示。在10个样品中,有9个样品内部结构基本相似,中间有七棱柱支撑,熔体由多根熔丝(纯银或纯铜)均匀并绕而成,一般是6根,#1样品～#8样品、#10样品内部结构如图4所示。该种结构发热、散热比较均匀。#9样品内部结构特殊,未使用七棱柱支撑,内部填满石英砂。熔丝材质为单根螺旋状合金材质,#9样品内部结构(无七棱柱支撑)如图5所示。

图3 送检样品熔体材质和形状

图4 #1样品～#8样品、#10样品内部结构

图5 #9样品内部结构(无七棱柱支撑)

#9样品熔体电阻比较大,发热集中,散热性差。在相同通流情况下,发热量大,容易发生熔断。

4.7 讨 论

在开关柜的密闭环境中,由于散热原因,部分试验达标产品在1.3In下也可能发生熔断。因此,中压变压器保护用熔断器产品质量不合格是导致发生轻熔断事故的主要原因。建议电力部门在中压变压器保护用熔断器采购时选用信誉好、质量高的产品,同时加强产品质量把控,做好质量抽检环节。

5 结 语

通过试验,对国内外10种中压变压器保护用熔断器样品进行了熔体电阻测试,开展了1.0In、1.25In、1.4In、1.6In、2.0In电流下温升、熔断特性试验。结论如下:

(1) 中压变压器保护用熔断器所用熔体材质各异,有纯银、纯铜、合金、铜镀银4种,电阻大小变化范围大,最大16 mΩ,最小7.3 mΩ。

(2) 在1.0In电流下,1个送检样品在55 min 39 s、1 h 1 min后发生了熔断。未熔断样品最大稳定温升为151.7 K,最小温升为76.3 K。

(3) 在1.25In电流下,3个送检样品发生了熔断。熔断时间分别是5 h 7 s、2 h 28 min、18 min 3 s。未熔断样品最高稳定温升为232.8 K。

(4) 在1.4In电流下,4个送检样品发生了熔断,最短熔断时间仅有5 min 23 s。

(5) 在1.6In电流下,5个送检样品发生了熔断,最短熔断时间是1 min。

(6) 在2.0In电流下,10个送检样品全部发生了熔断。最短熔断时间是1 min 46 s。

(7) 按照南网的约定不熔化电流规定,30%送检样品不达标。考虑撞针异常弹出问题,不合格比例会更高。

(8) 在开关柜的密闭环境中,由于散热原因,部分试验达标产品在1.3In下也可能发生熔断。

因此,中压变压器保护用熔断器产品质量不合格是导致发生轻熔断事故的主要原因。